激光致聲技術在跨冰層介質的空中-水下通信應用方法

何 寧,廖 欣,蔣紅艷

(桂林電子科技大學 信息與通信學院,廣西 桂林 541004)

1 引 言

海洋跨空通信建立主要依托海面上大氣和水下兩種介質實現,由于海洋環境的復雜性,其通信主要依靠無線電波、聲波和光波三種傳播方式。隨著海洋探索不斷推進,空-天-地-海立體化網絡通信已成為當今通信發展的必然趨勢,其中,空-海跨介質通信是亟待解決的難題,特別是在極寒地區和常年冰雪覆蓋的北極,冰層嚴重阻礙了空氣和海水兩個空間的信息傳輸,在這種環境下分別采用上述3種技術是不能獨立完成通信建立的。目前對冰層覆蓋的水域通信常采用破冰手段,并借助船只或浮標布置吊放相關有源中繼通信設備浸泡在水中來建立水面上下的通信聯絡[1],但該方法部署難、成本高、缺乏隱蔽性和靈活性,難以在搜索和救援等突發情況下實現快速響應。由于聲波在冰層和水中均具有較好地傳播優勢,故可利用激光致聲技術將冰層作為無源中繼,實現跨冰層介質空中對水下目標通信與探測。

利用聲波在固體介質中優良傳導特性的技術應用主要有兩方面,一是采用超聲波發生器直接接觸金屬表面或激光非接觸在金屬介質誘導超聲方式,使聲波在金屬介質傳導過程中遇到缺陷時產生信號躍變的回波檢測來實現無損檢測,美國海軍發展研究中心利用100 W的N2分子激光器激發超聲,對光束進行聚焦后實現了裂縫探測[2];日本筑波科技株式會社的Takatsubo J等人通過激光激發超聲波,利用空氣耦合超聲換能器檢測超聲波,研發出完全非接觸的激光超聲無損檢測可視化系統[3];中國石油天然氣管道局張俊楊等人建立了基于PVDF(聚偏氟乙烯)傳感器檢測的激光超聲實驗系統,用于檢測管道焊縫的質量[4]。二是直接在受冰層覆蓋的水體冰面上利用聲波的傳導進行冰下水聲通信以及冰下聲通道測試應用,2015年1月在哈爾濱松花江進行了國內首次冰下聲學試驗,采用了不同通信體制不同編碼方式對冰層聲散射系數和冰下聲信道進行了測試,驗證了開展相關水聲技術冰下適用性研究,為后續冰下聲傳播建模和冰下水聲信道建模提供了依據[5];2016年,研究了直接序列擴頻冰下水聲通信系統[6]。2019年,采用在冰層上安裝探測器陣列的方式以及基于多信道判決均衡進行了短距離單載波跨冰聲學通信實驗[7];2021年,根據簡正模理論,建立了水-冰-空氣級聯聲信道模型,并通過仿真和松花江現場實驗對其進行了驗證[8]。

激光致聲作為一種新型的非接觸式產生聲波的方法,是通過高峰值功率的激光脈沖與液體或者固體介質相互作用而激發聲波[9]。基于激光超聲學理論技術,采用激光致聲手段能有效滿足海洋環境通信需求。論文通過探討基于光-聲技術融合在大氣-冰-水信道環境下的通信體制和編碼傳輸方法,分析激光致聲原理、聲源特性、傳輸信道及應用特點,為開展跨冰層介質的通信應用研究提供一定參考。

2 激光致聲原理與特性分析

氣體、液體和固體受脈沖激光激勵均會發生光聲效應而形成激光超聲信號,利用激光聲波在作用介質中的傳導可實現不同應用。固體介質結構相對穩定,且對聲波信號的傳輸能力優于氣體和液體,在極寒地區和極地特殊環境覆蓋在水面上的冰層適合于聲波傳導應用。根據通信環境及冰層材料特性可適當選擇激光輸出能量來獲得所需的激光聲級別及控制到達介質表面的光斑(束)大小,從而誘導產生相應的超聲波信號。激光誘導產生的超聲信號不僅與激光束本身的時空特性有關,而且還與固體材料性質及表面特性有關[10]。一般情況在固體中激光激勵超聲波的機制可分為熱彈性效應和燒蝕效應兩種。

2.1 熱彈效應

熱彈效應是當入射激光束的光功率密度未達到固體表面的熔融閾值(冰一般為2～3 J/cm2)時,當固體表面受脈沖激光作用時,被作用區域吸收光能溫度上升,激光的能量轉換為熱能,照射區域內熱能高度集中產生熱膨脹效應,這部分介質因熱膨脹而產生形變,周期性的形變導致周圍介質形成應力脈沖,局部區域發生光聲能量轉換引起固體介質表面產生切向壓力,從而激發出周期變化的脈沖超聲波在固體內部或沿表面傳播,熱彈效應下由于激發光功率較低,局部升溫沒有導致介質材料發生相變,可激發出縱波、橫波和表面波[11]。而燒蝕機制下獲得的縱波和表面波幅度很大,其轉換效率遠高于熱彈機制。

如圖1所示,當脈寬為t0的矩形脈沖激光垂直入射到半無限媒質(光吸收系數、熱導率和熱擴散率分別為β、K和α)自由表面上時,媒質吸收光能而形成相應熱源,其熱功率密度g(z,t)為[12-13]:

圖1 激光熱彈效應超聲激勵示意圖

g(z,t)=g0-βz[H(t)-H(t-t0)]

(1)

式中,g0為熱源強度;H(t)為階躍函數;表示矩形激光脈沖函數。

固體冰介質屬于弱吸收狀態,激光超聲產生的應力脈沖強度(信號)可表示為:

u1=u0{[sh(βct)-sh[βc(t-t0)]]H(t-t0)}·

(2)

式中,u0=-αg0αTE/Kβc(1-2ν),β為光吸收系數;E為楊氏模量;K為熱導率;α為熱擴散率;ν為泊松比;c為超聲波速。

實際應用中激光超聲脈沖在時域上為雙極性振動瞬時信號,由于介質結構不同特性會伴隨弛豫振蕩并呈傳播延時衰減趨勢。

2.2 激光聲源特性[14-15]

1)激光聲源作為水下通信聲源的一種新激發方式,其類型主要有縱波、橫波和表面波三種,縱波是唯一可以在固體、液體和氣體中傳播的形式,它的質點振動方向與波的傳播方向相互平行;橫波只能在固體中進行傳播,其質點振動方向與波的傳播方向相互垂直;聲表面波僅在厚度遠大于其波長的半無限大固體介質表面傳播,其質點沿橢圓軌跡振動傳播。

2)激光聲激發為非接觸方式,形成的光聲源與固體傳聲介質完全耦合,是一種可移動激光聲源。

3)激光聲的信號強度將隨著入射激光脈沖的能量增加,其能量由弱到強變化,相應的激發機制由熱彈效應轉為燒蝕機制,根據激光致聲機制不同轉換效率范圍達3 %～30 %。

4)在脈沖激光激勵超聲的過程中,入射激光功率密度較低時熱彈效應激發出的橫波和縱波,主要沿以0°為中心軸呈對稱分布的中空錐型面傳播,縱波的能量最大值分布在±60°左右,而橫波能量最大值在±30°左右,且具有尖銳的方向性,在中心軸0°的橫波和縱波能量均為最小值。

5)激光聲在空間和時間上具有高分辨率的寬帶特性,根據作用激光脈沖寬度從納秒到皮秒變化,激光聲頻率可從赫茲變化達到吉赫茲,有利于進行目標通信與探測。

3 系統組成架構與激光聲的冰層傳播特性

3.1 實驗系統組成

不同應用環境下的通信系統在結構組成、通信體制和調制編碼技術有所區別,圖2所示為本系統所采用的實驗組成原理框圖。

圖2 實驗系統組成

圖2中經編碼的信號直接驅動激光器發射,在冰層介質產生的激光聲信號傳播至水下,按照圖2所示,實驗是在冰層介質下方或按箭頭方向通過上浮使水聲換能器直接接觸冰層與水的交界面來完成大氣到水下跨冰層的通信建立,檢波裝置只要放在激光聲輻射區域內任意位置均可實現聲波信號探測,并送至后端進行處理。

3.2 激光聲冰層傳播特性

聲波信號的傳播速度與介質的種類、溫度有關,一般情況下,傳播速度隨著介質溫度和密度增大而提高,且相同物質在狀態不同時其傳播特性存在一定差異。水跟一般物質不同,具有冷漲熱縮的特性,在液態下,其密度是1(4 ℃時),結冰成固體時體積膨脹,密度減小至0.9(0 ℃時),冰中水分子活動較液態水弱,分子間距小作用力大,故冰具有特殊的晶體結構。水和冰兩種狀態下聲波傳播速度分別為1450 m/s 和3160 m/s,由此可知固體冰中聲波傳導更快。極地水面冰層具有一定厚度且不透明,導致激光不能穿透到達水下,目前聲波通信是水下應用最可靠的技術。而激光在冰面上誘導聲波可采用機載方式實現遠程非接觸激勵,其靈活性和隱蔽性好,受激光脈沖作用位置的固體冰層相當于放置在水面上移動聲源,超聲信號能穿透覆蓋的海冰迅速傳導至下方水體,是實現空中到水下目標通信聯絡最有效的方法。

當激光與冰層發生互作用時,光波能量迅速轉化為聲壓能量,激光聲在時域上呈現為一個帶區域,它包含多個峰值,形成的聲波信號從幅度上表現為逐漸衰減直至消失趨勢,激光脈沖能量高則激光聲帶區變窄幅度增加;圖3所示為經冰層介質傳導采集的激光聲信號頻域特性,由圖可知中心頻率約為50 kHz,聲能量主要集中在100 kHz以下,可用于水下通信聲源。

圖3 單個激光聲脈沖信號的頻譜波形

4 通信編碼傳輸與性能仿真分析

通信系統傳輸信道主要由冰層和水構成,受水下信道隨機變化干擾以及聲波傳輸帶寬限制,應選擇合適的調制與糾錯編碼技術來保障通信傳輸有效性和可靠性。脈沖位置調制(Pluse Position Modulation,PPM)在具有散射和延時信道中的抗干擾性能方面有一定優勢,在無線通信中應用比較廣泛[16]。系統采用LDPC與MPPM聯合編碼有利于提高有限帶寬的傳輸能力,圖4對比PPM和MPPM兩種調制方式的幀結構。

圖4 PPM和MPPM時域波形圖

圖5 LDPC編碼前后的誤比特率對比

5 結 語

分析了跨冰層介質激光致聲水下通信中的組成特點,針對復雜的海洋信道傳輸環境,提出一種光與聲通信技術融合的通信機制,探討激光致聲機理與介質傳輸譜特性,分析了編碼調制的應用及性能對比。從激光聲的頻譜特性可知在頻帶內存在明顯的頻率優勢,且激光聲波能與固體冰層介質耦合并進行有效傳遞,有利于建立受海面冰層覆蓋特殊信道環境-空中到水下通信的快速響應。研究結果表明,采用激光誘導聲波通信能對遠程指定區域的激光致聲控制,通過機載的激光致聲機制相當于在水面上建立了一個穩健的移動聲源,其通信作業的靈活性和應用優勢顯著,該方法為開展多技術融合的跨空海洋通信提供一種新的應用參考。